KI和KII等值条件下I-II复合型裂纹的边翼分叉和偏折

利用奇异应力边界多裂纹开裂的几何模型,研究了应力强度因子KⅠ和KⅡ等值情况下的I-II复合型裂纹复杂开裂行为,给出了边翼分叉开裂和折裂对应的能量释放率、能量型开裂驱动力、临界开裂角或临界应力强度因子。通过本文的方法预计的临界折裂角理论值与已有的文献中2024-T3铝合金试样实验值吻合,与En3B低碳钢和一定条件下的铝试样最大偏差为8.9%。     

Ⅰ-Ⅱ型裂纹发展的剪应力准则研究

将Ⅰ-Ⅱ型裂纹表面的剪应力引入裂尖应力强度因子的计算,获得了含中心闭合裂纹在不同裂纹长度、倾角以及摩擦系数下裂纹尖端的应力强度因子值。引入等径向剪应力线τrθ这一概念,在预测裂纹发生临界扩展时提出以下两个假设：闭合裂纹将沿着等τrθ线上双剪应力和最小的方向扩展;裂纹尖端的应力强度因子KⅡ达到材料的临界值KⅡc,裂纹将开始扩展;建立了Ⅰ-Ⅱ型闭合裂纹的剪应力准则。利用所建立的断裂判据计算求得的临界起裂角鼠与各种经典复合型断裂准则计算裂纹起裂角的结果较为接近,将其应用于Ⅰ-Ⅱ型裂纹的断裂判定是安全的。     

Ⅰ—Ⅱ—Ⅲ复合型裂纹开裂角的光弹性试验研究

通过带Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ复合型半圆形裂纹的三维光弹性模型的破坏性试验,测量了Ⅰ－Ⅱ－Ⅲ复活复合型裂纹前沿不同位置处的开裂角,用应力强度因子Ｋ１、ＫⅠ、ＫⅡ的测量结果和最大周向应力理论,计算了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ复合型裂纹的开裂角,试验测得的结果具有较好的规律性,并且与计算结果较为接近。     

Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂纹开裂角的光弹性试验研究

通过带ⅠⅡⅢ复合型半圆形裂纹的三维光弹性模型的破坏性试验,测量了ⅠⅡⅢ复合型裂纹前沿不同位置处的开裂角.用应力强度因子KⅠ、KⅡ、KⅢ的测量结果和最大周向应力理论,计算了ⅠⅡⅢ复合型裂纹的开裂角.试验测得的结果具有较好的规律性,并且与计算结果较为接近.     

Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的形状改变比能断裂准则的分析

利用形状改变比能分析了Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的开始角,形状改变比能断裂准则表明裂纹启裂方向与最小形状改变比能方向一致．该准则预测的Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹开裂角和临界载荷与实验结果取得了较好的吻合．     

基于能量释放率的Ⅱ型裂纹开裂分析

分叉开裂问题是一个新型的断裂力学问题, 本文利用经典Ji - 积分守恒律, 对部分路径积分, 分析Ⅱ 型裂纹分叉开裂时能量释放率, 并指出裂纹边界分叉开裂的应力强度因子与Ji - 积分的关系。当裂尖奇异应力场的 应力集中达到一定程度时, 即达到临界条件时, 该应力场所在的边界将开裂, 通过边界移动的能量释放率的分析定 量地给出了边界分叉开裂能量释放率数学表征及边界开裂的极限临界载荷。     

煤体张开型裂隙演化规律及失稳前兆试验

为探究不同裂隙分布特征参数煤体失稳前兆信息,基于MTS 816试验系统开展单轴加载试验,分析了煤体力学特征及裂隙演化规律,推导出起裂角精确表达式,建立了弯折裂纹力学模型.结果表明：随裂纹方位角减小,煤体劣化程度增加,但均低于完整试件,裂隙长度同试件强度呈负相关性;剪切互锁效应使含裂隙煤体应力-应变曲线表现为双驼峰形态,互锁强度同方位角呈负相关性,但与长度无明显关联;裂隙分布特征参数对初始应变场形成局部高应变区具有显著引领作用,方位角于0°～90°之间时,应变集中、弥散与裂隙扩展的空间演绎形式高度统一;定义了端部动态剪切因子(τ₀)并求得其表达式,完善了Ⅱ型SIF(应力强度因子)并推导出精确起裂角表达式,得出起裂角同方位角呈负相关性;比较剪切互锁前后扰动系数ε(K_Ⅱ/K_Ⅰ)可知,剪切互锁效应可通过抑制裂纹端部的翼状Ⅰ型扩展从而发生Ⅱ型破坏,且抑制效果与方位角呈负相关性;相较于表面应变监测,互锁强度变化特征可对煤体在不同裂隙分布特征参数下的骤然破坏提供更加积极的前兆信息.     

正交各向异性板复合型裂纹能量释放率分析法

将Palan iswamy能量释放率准则推广到各向异性材料,即认为裂纹沿着最大能量释放率的方向扩展.通过计算支裂纹尖端的应力强度因子得到主裂纹尖端的能量释放率,分析了正交各向异性板I-II复合型裂纹的断裂方向角与KⅠ/KⅡ之间的关系.计算结果表明:随着KⅠ/KⅡ增大,断裂方向角θ减小.当K/K大于7时,θ小于3°,基本上沿裂纹面扩展;当θ等于15°时,KⅠ/KⅡ等于0.894 9,KⅡ的影响已经超过KⅠ的影响;当θ大于35°时,KⅠ/KⅡ,这时基本上为Ⅱ型裂纹.     

法向压缩载荷对Ⅱ型裂纹扩展的影响规律研究

为得到法向压缩载荷对剪切型(Ⅱ型)裂纹开裂角和极限应力强度因子的影响规律,采用含单边裂纹的砂岩试件,在岩石剪切试验系统上对其进行剪切断裂试验研究,通过破坏时的最大剪切载荷计算出Ⅱ型极限应力强度因子,并拟合其与法向压缩载荷之间的关系;最后运用ABAQUS模拟验证本文试验结果。结果表明:法向压缩载荷对裂纹的起裂及扩展起到抑制作用,随着裂纹法向压缩载荷的增大,裂纹起裂角逐渐减小;随着法向压缩载荷增大,岩石Ⅱ型裂纹极限应力强度因子增大。     

Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝应力强度因子与能量释放率的关系

基于断裂力学理论,应用复合型断裂判据中的最大周向应力判据和最大拉应变判据,以单一型裂缝应力强度因子K与能量释放率G的关系为基础,推导出Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ与能量释放率G_(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ)关系公式;并应用有限元软件进行Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ复合型裂缝的有限元模拟,模拟值与理论值之间相差为1.14%,拟合良好,分析验证了复合型裂缝应力强度因子K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ与能量释放率G_(Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ)关系公式的合理性。     

基于ABAQUS二次开发的巴西圆盘断裂机理

针对含中心裂纹的巴西圆盘开裂模型利用ABAQUS进行了参数化二次开发,基于扩展有限元法和最大周向应力准则对试件裂纹扩展进行数值模拟并验证,研究了围压对裂纹扩展以及裂纹尖端应力强度因子和T应力的影响.研究结果表明,试件在预制裂纹尖端发生起裂并沿最大周向应力方向扩展.随着裂纹倾角增大,Ⅰ型应力强度因子逐渐减小,Ⅱ型应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,T应力逐渐增大.随着围压数值的升高,试件的断裂韧度增大,T应力增大,而Ⅰ型和Ⅱ型应力强度因子几乎不受影响.     

公路隧道二次衬砌裂损病害机理研究

公路隧道二次衬砌裂损病害对隧道结构的稳定性有着很大影响,为研究公路隧道二次衬砌裂损病害发生的机理,首先划分了衬砌裂损病害的3种类型,并对每种裂损类型展开了力学行为分析.以断裂力学作为切入点,研究了在围岩荷载及结构自身作用下衬砌产生的裂缝的发展规律,通过获取应力强度因子K、J积分、以及裂纹面的最大张开位移δ求得裂纹尖端应力和应变值,在此基础上,通过最大周向应力理论分析了Ⅰ型＋Ⅱ型复合裂纹发生的临界条件.根据最大周向应力σθ所对应的应力强度因子值来对比临界强度因子值KIC,判断二次衬砌裂纹是否会发生扩展以及分析衬砌裂损病害发生的可能.获得了一系列有益的结论,能够对公路隧道二次衬砌裂损病害机理的理论研究和工程应用提供一定的参考和借鉴.     

复杂应力状态下TBM刀盘裂纹应力强度因子分析

为了预测全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘的疲劳寿命,本文对其裂纹尖端的应力强度因子进行了研究。以某水利工程的刀盘为研究对象,采用基于子模型技术的有限元法分析复杂应力状态下刀盘裂纹的应力强度因子,并给出了不同裂纹参数对应力强度因子的影响规律,为刀盘裂纹扩展寿命的预测提供输入条件。分析表明,当裂纹位置角为45°或135°时,裂纹尖端的等效应力强度因子最大,对结构损伤最严重;形状比对K_Ⅰ值影响最显著,形状比越大,尖端K_Ⅰ值相差越大,在深度方向的扩展趋势也越强;K_Ⅰ、K_Ⅱ及K_Ⅲ值均随裂纹深度的增加而增大,裂纹尖端最深处以张开型扩展形式为主,而表面点则是3种开裂形式并存。     

页岩Ⅰ型裂纹遇层理起裂扩展准则研究

为研究层理面对页岩Ⅰ型裂纹扩展的影响,利用裂纹尖端应力场Williams解,推导了页岩Ⅰ型裂纹沿层理方向的新分叉裂纹尖端应力场.基于最大周向应力判据,建立了考虑T应力的Ⅰ型裂纹沿层理起裂扩展准则,探讨了不同层理角度下裂纹沿层理面起裂与扩展规律.研究结果表明:T应力对含层理页岩裂纹扩展角,以及反映裂纹转向层理扩展难易程度指标起裂临界强度比S■和扩展临界强度比S■都具有影响。解析得到反映T应力大小的无量纲参数Bα=0.375是层理倾角β=0时Ⅰ型裂纹发生转向的一个分界点.β0时,Bα=±0.375是Ⅰ-Ⅱ复合型分叉裂纹S■和S■发生变化的分界点:当Bα-0.375时,S■和S■随着层理角度的增加先减小后增加,当Bα0.375时,S■和S■随着层理角度的增加先增加后减小,而当-0.375≤Bα≤0.375时,S■和S■随着层理角度的增加而减小.基于此建立了综合反映T应力和层理角度对临界强度比影响的临界面.将理论预测裂纹沿层理面扩展结果与试验及数值模拟结果进行比较,吻合较好.     

Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展门槛条件的实验研究

本文研究三种金属材料在Ⅰ-Ⅱ复合加载条件下疲劳裂纹扩展的门槛条件。应用切口试样和预裂试样测试了疲劳裂纹扩展的门槛值和破坏曲线,并对实验结果同其他实验和理论准则进行了对比,论证了在Ⅰ-Ⅱ复合载荷条件下可将切口试样的破坏曲线作为工程设计的依据。     

基于三剪统一强度准则的岩石裂纹压剪断裂判据

基于三剪统一强度准则研究了岩石裂纹压剪断裂问题,根据最小J_2准则、最大拉应力准则及最小能量密度因子理论确定的岩石起裂角,给出了相应的岩石裂纹压剪断裂判据。通过断裂判据,计算出不同岩石的纯Ⅱ型裂纹断裂韧度与纯Ⅰ型裂纹断裂韧度的比值,并与试验值及其他准则的断裂判据理论比值进行了对比,发现通过改变中间主应力效应系数b,该比值可更接近实际值。该比值在开裂角确定时,与泊松比ν、内摩擦角φ及三剪统一强度准则中的中间主应力效应系数b有关,结果表明该断裂判据有一定的合理性。     

带有裂纹的受扭圆柱薄壳的临界应力

采用断裂力学的最大周向应力理论,推导出带有穿透裂纹的圆柱薄壳在扭矩作用下裂纹开始扩展的开裂角和开裂应力;建立了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹的断裂准则,通过分析该圆柱薄壳的破坏形态,确定其临界应力。     

铝合金摩擦搅拌焊接焊区的Ⅰ/Ⅱ型复合断裂研究

采用二维计算机视觉-数字图像比对技术，进行裂纹稳定扩展实时表面位移测量，定量分析了铝合金2024-T351母材及摩擦搅拌焊接后不均匀、各向异性的焊区的Ⅰ/Ⅱ型复合裂纹稳定扩展的断裂性能、临界COD及其分量CODⅠ和CODⅡ并研究了母材及焊区裂纹的扩展路径．结果表明（1）距裂纹尖端后某一固定距离的临界COD可反映焊区的断裂韧性，（2）临界COD值反映复合裂纹的扩展受Ⅰ型或Ⅱ型裂纹扩展主导，（3）焊区的临界COD值对应地为母材的85％．（4）用数字图像比对技术分析Ⅰ/Ⅱ型裂纹的断裂性能是切实可行的一种新方法．     

油气输送管道疲劳裂纹起裂特性与影响因素

为了研究油气输送管道中疲劳裂纹的扩展特性,在疲劳载荷的作用下在试件中导入了倾斜疲劳裂纹,以此模拟油气管道中存在的实际裂纹.实验采用疲劳载荷的应力比为0和-1,疲劳裂纹的倾斜角度为45°.通过测量沿着裂纹开口方向和滑移方向的不连续位移量,计算管道中用作裂纹起裂判据的Ⅰ型应力强度因子(KⅠ)mes,和Ⅱ型应力强度因子(KⅡ)mes,以及抑制裂纹开口和滑移方向位移的应力强度因子(KⅠ)s和(KⅡ)s;讨论了疲劳裂纹的应力强度因子(KⅠ)s和(KⅡ)s的影响因素.其结果是:对于应力比0和-1的疲劳裂纹,(KⅠ)s和(KⅡ)s都小于零;而回火后的裂纹的(KⅠ)s和(KⅡ)s都接近于零,即压缩残余应力将对裂纹起裂(初始扩展)起到限制和阻碍的作用.     

平面裂纹的起裂准则

针对著名断裂教授 sin 提出的著名[S]_(min)准则中所存在的若干缺陷,作者曾利用宏微观相结合的方法在文献[1,2]中提出了三个三维裂纹的起裂准则并很成功地解决了三维表面裂纹问题。本文的主要贡献在于:1 针对平面裂纹的特殊个性,对文献[1,2]的假定作了更符合实际的改变,提出了二维裂纹的[U_v]_(max)、[σ_α]_(max)和[γ_p]_(min)准则。2 推出了平面裂纹起裂角和载荷的一般方程。3 求出了Ⅰ型和Ⅱ型裂纹的起裂角θ~*和相应的 K_(Ⅲc)/K_(Ⅰc)值,这些值和实验结果比较表明本文所提准则较其它准则更佳。4 讨论了 Possion(泊松)比 v 和应力状态对θ~*和 K_(Ⅱc)/K_(Ⅰc)值的影响,得出了 v 和应力状态对θ~*几乎无影响而对 K_(Ⅱc)/K_(Ⅰc)有较大影响这一令人满意和从未有过的新发现。给出了三准则适用条件。